Величайшим желанием всего человечества испокон веков было разгадка тайн Вселенной. Множество различных гипотез и теорий будоражат умы ученых во всем мире. Что такое больцмановский мозг и почему его считают самым странным и неприятным прогнозом в истории космологии?
Людвиг Больцман и его теории
Людвиг Больцман был физиком, который специализировался в статистической механике, соединяющей физические частицы Ньютона в термодинамике. Кинетическая теория Больцмана не только объясняет, как тепло, работа и энергия связаны друг с другом. Он также дал четкое определение энтропии. Хотя его больцмановский мозг и переворачивает традиционные представления о Вселенной, его идеи, несмотря на трудности в их понимании, также заслуживают внимания.
Давление, температура и объем являются основными характеристиками газа. Поскольку они определяют положения и скорость всех атомов или молекул, Больцман сравнил их с маленьким газовым государством, где сосуществуют все микроскопические частицы. Есть много способов, чтобы заставить атомы двигаться. Пока средняя скорость движения всех атомов примерно одинакова, давление, температура и объем газа будут также находиться в равновесии.
Это означает, что для газа существует множество эквивалентных микросостояний. Больцман пришел к выводу, что энтропия системы в том или ином государстве зависит от числа эквивалентных микросостояний, которыми оно располагает. Вселенную ученый также называл набором микросостояний.
Тайна времени
Несмотря на многочисленные открытия, сделанные людьми за всю историю существования, многие тайны еще долго будут оставаться неразгаданными. Например, большой интерес представляет глубокий и старый вопрос: почему время идет только в одном направлении?
Больцман объяснил это так называемой стрелой времени, в которой энтропия, мера беспорядка или пустой энергии, никогда не сможет уменьшиться в такой замкнутой системе, как Вселенная. Все это очень сложно, и одной жизни не хватит на то, чтобы во всем этом как следует разобраться.
Вселенная по Больцману
Больцмановский мозг - это разум Вселенной. В течение вечности возможно все. По Больцману, Вселенная предположительно существовала всегда. Современные астрономы отрицают такую версию. Она родилась в результате Большого взрыва, примерно 14 миллиардов лет назад. Энергия, которую космос накапливал долгое время, смогла вырваться наружу, и постепенно вместо первозданного хаоса восстановился порядок.
Больцмановские мозги и термодинамика
Теперь поговорим о связи рассматриваемого гипотетического объекта с термодинамикой. Что делает больцмановские мозги такими интересными? Как одна из теорий о создании и существовании вселенского разума они помогают изучить наиболее причудливые и загадочные аспекты физической теории происхождения. Этот интересный и сложный вопрос кого угодно может сбить столку. Не стоит понимать теорию буквально. Ее просто можно представить как мысленный эксперимент в термодинамике.
Термодинамика - это, по существу, изучение тепла и его потоков. Тепло - то свойство материи, которое ведет себя как своеобразная жидкость, перемещаясь с одного места на другое. Поскольку все сущее во Вселенной так или иначе связано с функциями расхода тепла, много исследований было сделано по теме термодинамики, чтобы лучше понять, как ведет себя тепловая энергия.
Термодинамическое равновесие
Один из фундаментальных принципов термодинамики - идея равновесия. Если бросить кубик льда в стакан с водой, возникшая температурная градация постепенно будет выравниваться, тепло воды начнет плавить лед и в итоге вся жидкость достигнет равномерной температуры.
Один из интересных выводов идеи термодинамического равновесия заключается в том, что системе не всегда удается найти необходимый баланс, это считается крайне маловероятным, так что можно смело предположить, что это никогда не случится. Нет никакого физического закона, который позволит воде в стакане, в которую бросили кубик люда, самопроизвольно охладиться и превратиться в лед.
Парадокс человеческого существования
Человек – это самая сложная и структурированная совокупность материи, которая когда-либо существовала в природе. Назло всем законам термодинамики люди существуют, хотя больцмановский мозг (научная фантастика это или реальность, не ясно до сих пор) подразумевает, что человеческое существование - не более чем парадокс. Появление человечества кажется еще более невероятным, чем кубик льда, образованный в воде сразу после того, как ее налили из крана.
Людвиг Больцман был озадачен существованием таких невозможных с точки зрения термодинамики вещей, как человеческие существа. Он высказал идею, что люди – это просто кубики льда, которые образуются спонтанно. Но в бесконечной Вселенной нет ничего невозможного и маловероятного.
Оригинальная идея
Физики 19 и 20 столетия представили несколько оригинальных идей за это время, но понятие «больцмановский мозг» (разум Вселенной) превзошло их все, выдвинув предположение о том, что всесторонне образованные и сознательные сущности формируются спонтанно в космическом пространстве. На все это требуется огромное количество времени.
Больцмановский мозг - это демонстрация того, что Вселенная имеет неограниченный срок эксплуатации. Большинство моделей будущего предсказывают, что она вечно будет экспоненциально расширяться.
Живая Вселенная: мозги Больцмана
Имеет место также предположение о том, что может существовать неограниченное число вселенных. Все эти вселенные также постоянно расширяются с невероятной скоростью. Теория о мультивселенной остается спорной, так как из-за своей сложности она является труднодоказуемой. Живая Вселенная является гипотезой о сознательных сущностях, которые производятся из случайной флуктуации в ткани пространства и времени.
Это означает, что стохастические колебания на уровне энтропии (беспорядка) во Вселенной теоретически могут производить что-то сложное, если дано достаточно времени. Физик 19 века Людвиг Больцман впервые продемонстрировал, что это является вероятным с математической точки зрения.
Бесконечная Вселенная
Бесконечная Вселенная, где случайные конфигурации частиц могут самопроизвольно появляться и исчезать, материализовавшийся мозг, плавающий в космическом пространстве, - все это так трудно для понимания, так как граничит на одном уровне с фантастическими представлениями об этом мире.
Объект, случайно выбранный во Вселенной, обладающий разумом, с большей вероятностью окажется результатом флуктуаций, чем продуктом эволюции. В этом и состоит парадокс. Больцмановский мозг на самом деле можно встретить с меньшей вероятностью, чем продукт эволюции, так как плотность вероятности образования продукта эволюции выше, чем у него.
По мнению ученых, сознание – это иллюзия, созданная в результате взаимодействия огромного числа простых элементов. В человеческом мозге это нейроны, которых у каждого человека около 86 миллиардов.
Как компьютер способен использовать простые расчеты для построения сложных систем, так и мозг выстраивает действия и воспоминания в результате взаимодействия нейронов. И поэтому причудливый больцмановский мозг является скорее мысленным экспериментом, призванным подвергнуть сомнению человеческие предположения о строении Вселенной. И как и большинство экспериментов, которые затрагивают бесконечность и необъятность, является эфемерным.
Прошлое – это иллюзия
Про больцмановский мозг говорят, что он называет воспоминания и прошлый опыт иллюзорными. Человек считает, что накопленный опыт ученых дает веские доказательства того, что мир появился в результате Большого взрыва. Все экспериментальные данные для всех наук являются сфабрикованной памятью.
Не стоит рассматривать теории Больцмана как жизнеспособный аргумент. На сегодняшний день наука имеет достаточно доказательств для опровержения некоторых фантастических теорий. Но то, что предположения оригинальные и интересные, является неоспоримым.
Гениальное предположение
Можно попробовать представить на какое-то время, что Вселенная (больцмановский мозг - это объект, самопроизвольно образовавшийся в ней) придет в тепловое равновесие. С точки зрения молекулярной конституции, равновесие является динамическим. Газ, например, равномерно распределяется в доступном для него пространстве. Однако случайные молекулярные движения могут привести его на мгновение чуть к более плотному состоянию в одном месте и менее сосредоточенному в другом.
Более крупные колебания также возможны. Чрезмерная флуктуация может привести к сжиманию газа. Вероятность такого самопроизвольного сжатия мала. Обычный объем газа может иметь 1024 молекулы, движущихся независимо друг от друга. Вероятность того, что все они могут оказаться в одном месте, удивительна и маловероятна, но с физической точки зрения не так уж и невозможна.
Но что если бы Вселенная была бесконечной, где времени для случайных флуктуаций предостаточно? Тогда в нужное время в нужном месте может возникнуть что угодно, будь то люди, животные, машины или вселенский сверхразум. Как считал известный физик и отец термодинамики Людвиг Больцман, все возможно в бесконечной Вселенной.
